薄膜干涉课件

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1、薄膜干涉PPT课件1波动光学波动光学张三慧教材：19.419.5（了解内容）毛骏健教材：12-3-1、12-3-212-3-3（了解内容）（了解内容）薄膜干涉PPT课件2 薄膜干涉是分振幅干涉。薄膜干涉是分振幅干涉。等厚条纹等厚条纹同一条纹相应膜的同一条纹相应膜的 同一厚度。同一厚度。日常见到的薄膜干涉例子：日常见到的薄膜干涉例子：肥皂泡，肥皂泡，雨天地上的油膜，雨天地上的油膜，昆虫翅膀上的彩色昆虫翅膀上的彩色 -。膜为何要薄？膜为何要薄？薄膜干涉有两种条纹：薄膜干涉有两种条纹：等倾条纹等倾条纹同一条纹相应入射光的同一条纹相应入射光的 同一倾角同一倾角分振幅法分振幅法 p薄膜薄膜S*光的相干长

2、度所限。光的相干长度所限。1 1 分振幅干涉分振幅干涉薄膜干涉PPT课件3【例】【例】分振幅干涉的反射光光程差分析分振幅干涉的反射光光程差分析1n2nABC12iNr3n2)(12 ANnBCABn321nnn 321nnn 321nnn 321nnn 2)(12 ANnBCABnANnBCABn12)(ANnBCABn12)(1、2、均有半波损失、均有半波损失1、2、均无半波损失、均无半波损失1无半波损失，无半波损失，2有半波损失有半波损失1有半波损失，有半波损失，2无半波损失无半波损失薄膜干涉PPT课件4 光线以入射角光线以入射角i 射向厚度为射向厚度为e（d、h）折射率为）折射率为n的薄

3、膜，的薄膜，分别被薄膜的上下表面反射的两束光，在分别被薄膜的上下表面反射的两束光，在薄膜上方相遇发生干涉。注意薄膜上方相遇发生干涉。注意半波损失半波损失问题。问题。ACBN1n1n2nei1nnABC12iNr1n222212 isinnne21 ANn)BCAB(nn2两侧介质相同两侧介质相同，薄膜，薄膜上下表面反射的两束光上下表面反射的两束光中中一束有半波损失一束有半波损失利用折射定律和几何关系，利用折射定律和几何关系，可得可得2 厚度均匀的薄膜干涉厚度均匀的薄膜干涉薄膜干涉PPT课件5 等倾干涉：等倾干涉：非平行光入射平行平面薄膜，非平行光入射平行平面薄膜，e相同，相同，对于不同的入射角

4、对于不同的入射角i产生不同的干涉条纹，产生不同的干涉条纹，这种干这种干涉叫等倾干涉涉叫等倾干涉 。暗暗纹纹明明纹纹,k)k(,kkisinnne210212321222212 此式表明，光程差决定于倾角此式表明，光程差决定于倾角 i 和薄膜厚度和薄膜厚度e 等厚干涉：等厚干涉：平行光入射非均匀薄膜，平行光入射非均匀薄膜，i相同，对相同，对于不同的薄膜厚度于不同的薄膜厚度e产生不同的干涉条纹，产生不同的干涉条纹，这种干这种干涉叫等厚干涉涉叫等厚干涉。什么情况加？什么情况加？2321321/nnnnnn 不不加加 2321321/nnnnnn 加加 透射光与反射光互补！透射光与反射光互补！反射明透

5、射暗；反射明透射暗；反射暗透射明。反射暗透射明。反射光干涉公式：反射光干涉公式：薄膜干涉PPT课件6解题步骤：解题步骤：（1）分析薄膜与周围介质折射率）分析薄膜与周围介质折射率n的相对大小；的相对大小；判判定光程差表达式是否加入半波损失；定光程差表达式是否加入半波损失；（2）写出反射光的光程差表达式（）写出反射光的光程差表达式（i0时）；时）；（3）求）求、e或或n。（其中。（其中kmin与与emin对应）对应）暗纹暗纹明纹明纹,k)k(,kkne21021232122 （4）透射光与反射光互补！）透射光与反射光互补！2321321/nnnnnn 不不加加 2321321/nnnnnn 加加

6、3 3 厚度均匀的薄膜例题厚度均匀的薄膜例题什么情况加？什么情况加？薄膜干涉PPT课件7例题例题 白光垂直照射在空气中的一厚度为白光垂直照射在空气中的一厚度为380nm 的肥皂膜上，设肥皂膜的折射率为的肥皂膜上，设肥皂膜的折射率为1.33，问膜的正，问膜的正面呈什么颜色？背面呈什么颜色？面呈什么颜色？背面呈什么颜色？220 nei，当光线垂直入射时当光线垂直入射时 kne 22正正面面124 kne nmk76011 2)12(22 kne背面背面nm.k967322 nm.k340433 nmk40044 kne2 nm.k450522 蓝绿色蓝绿色紫红色紫红色 红红 橙橙 黄黄 绿绿 青青

7、 蓝蓝 紫紫 760 630 600 570 500 450 430 400nm解：解：薄膜干涉PPT课件8例题例题 一平行单色光垂直照射到覆盖着均匀油膜的一平行单色光垂直照射到覆盖着均匀油膜的 解：解：n依次大或依次大或n依次小依次小，油膜上下表面反射的光，油膜上下表面反射的光都都有有(或都无）半波损失或都无）半波损失，且垂直照射，所以光程差为，且垂直照射，所以光程差为=2ne ；反射相消的条件是；反射相消的条件是2)12(2 kne21221222211)k)k(ne（可解出可解出k1=3，k2=2nke4)12(11min nm21034.6 玻璃板上，设光源波长在可见光范围内可以连续变

8、化，玻璃板上，设光源波长在可见光范围内可以连续变化，波长变化期间只观察到波长变化期间只观察到500nm和和700nm两个波长的光相两个波长的光相继在反射光中消失，以知油膜的着折射率为继在反射光中消失，以知油膜的着折射率为1.38，玻璃，玻璃的折射率为的折射率为1.50，求油膜的最小厚度。，求油膜的最小厚度。薄膜干涉PPT课件9薄膜技术的应用薄膜技术的应用增透膜、增反膜增透膜、增反膜 例如：例如：较高级的照相机的镜头由较高级的照相机的镜头由 6 6 个透镜组成，如不个透镜组成，如不采取有效措施，反射造成的光能损失可达采取有效措施，反射造成的光能损失可达 45%90%45%90%。为增强透光，要镀

9、增透膜，或减反膜。复杂的光学镜为增强透光，要镀增透膜，或减反膜。复杂的光学镜头采用增透膜可使光通量增加头采用增透膜可使光通量增加 10 10 倍。倍。而激光器两端装有反射镜而激光器两端装有反射镜,就镀有增反射膜。就镀有增反射膜。在薄膜干涉中，光线一部分被反射，另一部分则透射在薄膜干涉中，光线一部分被反射，另一部分则透射进入介质。反射光干涉极大时，光线大部分被反射。进入介质。反射光干涉极大时，光线大部分被反射。反射光干涉极小时，光线大部分被透射。通过控制薄反射光干涉极小时，光线大部分被透射。通过控制薄膜的厚度，可以选择使膜的厚度，可以选择使透射透射或或反射反射处于极大，处于极大，增强表增强表面上

10、的面上的反射反射或者或者透射透射，以改善光学器件的性能。称为以改善光学器件的性能。称为增透膜，增反膜。在生产中有广泛的应用。增透膜，增反膜。在生产中有广泛的应用。薄膜干涉PPT课件10例题：例题：增透、增反膜增透、增反膜问：若反射光相消干涉的条件中问：若反射光相消干涉的条件中取取 k=1，膜的厚度为多少？此增，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？透膜在可见光范围内有没有增反？已知：用波长已知：用波长 ，照相机镜头，照相机镜头n3=1.5，其，其上涂一层上涂一层 n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。的氟化镁增透膜，光线垂直入射。nm5502/)12(22ken解：因为解：因

11、为 ，所以反射光，所以反射光经历两次半波损失。反射光相干相经历两次半波损失。反射光相干相消的条件是：消的条件是：321nnn11n5.13n38.12ne代入代入k 和和 n2 求得：求得：mne79210989.238.1410550343 薄膜干涉PPT课件1111n5.13n38.12ne ken 22nmk85511 nm.k541222 nmk27533 可见光波长范围可见光波长范围 400700nm波长波长412.5nm的可见光有增反。的可见光有增反。反射光相消干涉的条件中取反射光相消干涉的条件中取 k=0时，时，膜的厚度为最小。膜的厚度为最小。代入代入e和和n2 求得：求得：此膜

12、同时可能满足反射光干涉相此膜同时可能满足反射光干涉相长的条件：长的条件：薄膜干涉PPT课件12劈尖劈尖夹角很小的两个平面所构成的薄膜。夹角很小的两个平面所构成的薄膜。劈尖干涉劈尖干涉在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。在膜表面附近形成明、暗相间的条纹。rad101054 ：e n An n(设设n n )反射光反射光1反射光反射光2S*单色平行光单色平行光12 1、2两束反射光来自两束反射光来自同一束入射光，它们同一束入射光，它们可以产生干涉可以产生干涉 。观察劈尖干涉的实验装置观察劈尖干涉的实验装置通常让光线几乎垂直入射。通常让光线几乎垂直入射。3.劈尖干涉（劈形膜）劈尖干涉（劈形膜）薄膜干涉

13、PPT课件13设单色平行光线在设单色平行光线在A点点处入射，膜厚为处入射，膜厚为e，光程差光程差，很小，很小，因为因为21 )e(ne 22在在 n,定了以后定了以后,只是厚度只是厚度 e 的函数。的函数。反射光反射光1 单色平行光垂直入射单色平行光垂直入射en n nA反射光反射光2(设劈尖两边设劈尖两边介质相同介质相同)一个厚度一个厚度e，对应着一个光程差对应着一个光程差，对应着一个条纹对应着一个条纹等厚条纹等厚条纹。反射光反射光1,2叠加叠加 要不要考虑半波损失？要不要考虑半波损失？（1）劈尖两边介质相同，）劈尖两边介质相同，薄膜干涉PPT课件14在此问题中，棱边处在此问题中，棱边处 是

14、亮纹还是暗纹？是亮纹还是暗纹？亮纹亮纹 ,k,kne21021222 暗纹暗纹32122,k,kne 形形成成的的为为明明纹纹。，在在劈劈棱棱边边处处0 e（2）光线在劈尖两界面反射时都存在（或都不存）光线在劈尖两界面反射时都存在（或都不存在）半波损失：在）半波损失：2321321/nnnnnn 不不加加 明暗纹位置与明暗纹位置与（1）的情况相反。其余相同。的情况相反。其余相同。亮纹与暗纹亮纹与暗纹等间距地相间排列。等间距地相间排列。薄膜干涉PPT课件15 )(122221 kneknekk有有neeekk21 nl2 所以所以有有 tanel 相邻两条亮纹对应的厚度相邻两条亮纹对应的厚度ek

15、,ek+1相差相差多大？多大？设相邻两条亮纹对应的厚度差为设相邻两条亮纹对应的厚度差为 e：条纹分得更开，更好测量。条纹分得更开，更好测量。l 劈尖特有的劈尖特有的薄膜干涉共有的薄膜干涉共有的 L eekek+1明明纹纹暗暗纹纹n L 薄膜干涉PPT课件161.由条纹间距测由条纹间距测、n或或。2.测微小直径、厚度。测微小直径、厚度。测微小直径测微小直径测微小厚度测微小厚度h待测块规待测块规标准块规标准块规平晶平晶校验块规校验块规精密测长度精密测长度应用举例：应用举例：薄膜干涉PPT课件17等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶 请问：此待测工件表面上，请问：此待测工件表面上，有一条凹纹还是

16、一条凸纹？有一条凹纹还是一条凸纹？答：凸纹答：凸纹4.测量微小位移测量微小位移不变而平移上下表面，不变而平移上下表面，若若 两表面间距增大时，条纹向棱两表面间距增大时，条纹向棱边平移（间距边平移（间距 l 不变），劈尖厚度不变），劈尖厚度每改变每改变/2,移过一条条纹；反之，移过一条条纹；反之，移动方向相反。移动方向相反。待测样品待测样品石英环石英环平平晶晶干涉膨胀仪干涉膨胀仪测膨胀系数测膨胀系数2Nd 3.检测表面质量。检测表面质量。薄膜干涉PPT课件18例题：例题：用波长为用波长为589.3nm的钠黄光的钠黄光dL解：由解：由nl2 nlLLd2 有有垂直照射长垂直照射长 L=20mm 的

17、空气劈尖，的空气劈尖，测得条纹间距为测得条纹间距为1.181.181010-4-4mm，求，求d d4391018121020103589 .m5105 薄膜干涉PPT课件19例题例题 折射率为折射率为n=1.60的两块平面玻璃板之间形成一的两块平面玻璃板之间形成一空气劈尖，用波长空气劈尖，用波长=600nm的单色光垂直照射，产生的单色光垂直照射，产生等厚干涉条纹，若在劈尖内充满等厚干涉条纹，若在劈尖内充满n=1.40的液体，相邻的液体，相邻明纹间距缩小明纹间距缩小l=0.5mm，求劈尖角，求劈尖角。nll2221 )n(ll11221 )n(l112 rad.410721 解：解：设空气劈尖

18、时相邻明纹间距为设空气劈尖时相邻明纹间距为l1，液体劈尖时相，液体劈尖时相邻明纹间距为邻明纹间距为l2，由间距公式，由间距公式已知已知可求可求n薄膜干涉PPT课件20例题例题 制造半导体元件时制造半导体元件时,常需精确测定硅片上镀有常需精确测定硅片上镀有二氧化硅薄膜的厚度二氧化硅薄膜的厚度,可用化学方法把薄膜的一部分可用化学方法把薄膜的一部分腐蚀成劈尖形腐蚀成劈尖形,用波长用波长=589.3nm的单色光从空气垂直的单色光从空气垂直照射照射,二氧化硅的折射率二氧化硅的折射率 n=1.5,硅的折射率为硅的折射率为3.42,若若观察到如图所示的观察到如图所示的7条明纹条明纹.问二氧化硅膜的厚度问二氧

19、化硅膜的厚度d=?解：由于解：由于n1nn3光程差为：光程差为：=2 n ek ，产生明纹的条件：产生明纹的条件：,2,1,02 kknek 棱边处棱边处 e=0,对应于对应于 k=0,所以厚度为所以厚度为 d 处的明纹对应于处的明纹对应于 k=6,故二氧化硅膜的厚度为故二氧化硅膜的厚度为:mned6106101786.15.12103.589626 dSi2SiO若观察到若观察到d处正好为第处正好为第7条暗纹，条暗纹，情况如何？情况如何？n.d256 薄膜干涉PPT课件21erR平晶平晶平凸平凸透镜透镜 o如图平行光入射如图平行光入射,平凸透镜与平晶间平凸透镜与平晶间形成形成空气劈尖空气劈尖

20、。平晶平晶S分束镜分束镜 M显显微微镜镜0平凸透镜平凸透镜.暗环暗环 观察观察牛顿环的装置示意图牛顿环的装置示意图内疏外密内疏外密条纹间距条纹间距4.牛顿环干涉牛顿环干涉薄膜干涉PPT课件22 ReeRRr2222 122Rre 牛顿环特有的牛顿环特有的 暗纹暗纹明纹明纹,k)k(,kkne21021232122 什么情况加？什么情况加？牛顿环装置还能观测透射光的干涉条纹，牛顿环装置还能观测透射光的干涉条纹，它们与反射光的干涉条纹正好亮暗互补。它们与反射光的干涉条纹正好亮暗互补。将（将（1）式代入）式代入的明暗公式，可以解出的明暗公式，可以解出第第k 级明环和暗环半径级明环和暗环半径rkerR

21、平晶平晶平凸平凸透镜透镜 oe 可用可用 r,R 表示表示:薄膜干涉共有的薄膜干涉共有的薄膜干涉PPT课件23 mrrRkmk22 2.已知透镜的曲率半径求波长已知透镜的曲率半径求波长mRrrkmk22 1.已知波长测量平凸透镜的曲率半径已知波长测量平凸透镜的曲率半径 已知，已知，数清数清m，测出测出 rk、rk+m，则，则R 已知，数清已知，数清 m，测出测出 rk，rk+m ，则，则明环、暗环均适用明环、暗环均适用牛顿环的应用（设牛顿环的应用（设n n1 1）：）：Rrekk22 牛顿环特有的牛顿环特有的等厚干涉共有的等厚干涉共有的得到：得到：nmRrrkmk/22 nmeekmk2 薄膜

22、干涉PPT课件24验规验规4.4.检测光学镜头表面曲率是否合格检测光学镜头表面曲率是否合格 将玻璃验规盖于待测镜头将玻璃验规盖于待测镜头上，两者间形成空气薄层，因上，两者间形成空气薄层，因而在验规的凹表面上出现牛顿而在验规的凹表面上出现牛顿环，当某处光圈偏离圆形时，环，当某处光圈偏离圆形时，则该处有不规则起伏。则该处有不规则起伏。测量介质折射率测量介质折射率（充介质后测环半径的改变）（充介质后测环半径的改变）kRr 22221 kRrn 22222221)(rrn 明环、暗环均适用明环、暗环均适用一圈条纹对应一圈条纹对应 的的球面球面误差。误差。2 薄膜干涉PPT课件25 例题：例题：用紫光照

23、射，借助于低倍测量用紫光照射，借助于低倍测量 显微镜测得由中心往外数第显微镜测得由中心往外数第 k 级明环级明环的半径的半径 rk=3.010-3m,k 级往上数级往上数第第16 个明环半径个明环半径 rk+16=5.010-3m，平凸透镜的曲率半径平凸透镜的曲率半径R=2.50m求：紫光的波长？求：紫光的波长？解：解：Rrrkk162216 m.).().(7222210045021610031005 以其高精度显示以其高精度显示光测量的优越性光测量的优越性dRrCO薄膜干涉PPT课件26 例题：例题：在牛顿环装置的透镜与玻璃板间充以某种在牛顿环装置的透镜与玻璃板间充以某种 ke 22 kn

24、e 22代入以上两式，代入以上两式，将将Rre22 解：解：充液前，对第充液前，对第k级明环，有：级明环，有：充液后，对第充液后，对第k级明环，有：级明环，有：kRr 22221 kRrn 222223317128142221.).()rr(n 液体后，观测到第液体后，观测到第10个明环的半径由充液前个明环的半径由充液前14.8cm变为充液后的变为充液后的12.7cm,求该种液体的折射率求该种液体的折射率n.薄膜干涉PPT课件27例题：例题：如图，牛顿环装置由三种透明材料组成，如图，牛顿环装置由三种透明材料组成，在牛顿环左半侧，介质膜上下表面在牛顿环左半侧，介质膜上下表面反射的光都有半波损失，

25、反射的光都有半波损失，=2nee=0处，处，=0形成半圆形形成半圆形0级亮斑，右半侧，介质膜的上级亮斑，右半侧，介质膜的上表面反射的光有半波损失，表面反射的光有半波损失，=2ne+/2，e=0处处=/2，形成半圆形形成半圆形0级暗斑，两侧干涉图样明暗相反。级暗斑，两侧干涉图样明暗相反。52.175.162.152.1Rre2/2 kne 2/2右右：kne 2左左：nR)k(r212 n/kRr n/Rr 3 左左nR)(r2142 右右试分析反射光干涉图样。并求第四个明环半径。试分析反射光干涉图样。并求第四个明环半径。薄膜干涉PPT课件28 5 迈克耳孙干涉仪（了解原理）迈克耳孙干涉仪（了解

26、原理）迈克耳孙在工作迈克耳孙在工作 迈克耳孙迈克耳孙（A.A.mihelson）美籍德国人美籍德国人因创造精密光学仪因创造精密光学仪器，用以进行光谱器，用以进行光谱学和度量学的研究，学和度量学的研究，并精确测出光速，并精确测出光速，获获1907年诺贝尔物年诺贝尔物理奖。理奖。迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验干涉仪莫雷实验干涉仪 证明证明“不存在相对太阳静止的以太参照系不存在相对太阳静止的以太参照系”薄膜干涉PPT课件29仪器结构示意图仪器结构示意图若若M1与与M2平行平行 -等倾条纹等倾条纹若若M1与与M2有小夹角有小夹角 -等厚条纹等厚条纹M 122 11 半透半反膜半透半反膜SM2M1G1G2E

27、补偿板补偿板反反射射镜镜反射镜反射镜光源光源观测装置观测装置薄膜薄膜一束光在一束光在A处分振幅形成的两束光处分振幅形成的两束光，就相当于就相当于由由M1和和M2形成的空气形成的空气膜上下两个面反射光的光程差膜上下两个面反射光的光程差。迈克耳孙干涉仪的结构及原理迈克耳孙干涉仪的结构及原理薄膜干涉PPT课件30M2M1 M2M1 M2M1 M1 M2M1 M2M2M1 M2M1 M2M1 M1 M2M1 M2(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)(e)(e)(f)(f)(g)(g)(h)(h)(i)(i)(j)(j)条纹薄膜干涉PPT课件31参考臂扫描可得到样品深度方向参考臂扫描可得到样

28、品深度方向的一维测量数据的一维测量数据 光束在平行于样品表面的方向进光束在平行于样品表面的方向进行扫描测量行扫描测量 可得到横向的数据可得到横向的数据将得到的信号经计算机处理将得到的信号经计算机处理,光源光源探测器探测器参考镜参考镜眼睛眼睛*样品中不同位置处反射回的光脉冲延迟时间不同样品中不同位置处反射回的光脉冲延迟时间不同*不同的材料或结构反射的强度不同不同的材料或结构反射的强度不同便可得到样品的立体断层图像便可得到样品的立体断层图像 光学相干光学相干CT 断层扫描成像新技术断层扫描成像新技术Optical Coherence Tomography微米量级的空间分辨率微米量级的空间分辨率“古老古老”原理的现代应用之例原理的现代应用之例薄膜干涉PPT课件32光源光源电子学系统电子学系统计算机计算机探探测测器器光纤耦合器光纤耦合器样样品品光纤聚焦器光纤聚焦器反反射射镜镜角膜前表面角膜前表面角膜后表面角膜后表面晶状体上皮晶状体上皮睫状体睫状体兔子眼球前部的兔子眼球前部的OCT图像图像光纤化的迈克耳逊干涉仪光纤化的迈克耳逊干涉仪